b)同樣地制作縱型的 發(fā)光元件，結(jié)果，通過陰極電極和陽極電極間的I 一 V測定確認有整流性，通過正向通電確認 發(fā)出波長450nm的光。
[0324] ^9
[0325] (l)c面取向氧化鋁燒結(jié)體的制作
[0326] 使氟化鋁粉末的量為0.02重量份，除此之外，與例8同樣地制作c面取向氧化鋁基 板。將由此得到的燒結(jié)體固定在陶瓷平臺上，使用磨石，磨削至#2000,使板表面平坦。接下 來，通過使用金剛石研磨粒子的研磨加工，將板表面平滑化，作為取向氧化鋁基板得到口徑 50.8mm(2英寸）、厚度1mm的取向氧化錯燒結(jié)體。將研磨粒子的尺寸從3μηι逐步減小至0.5μηι， 提高平坦性。加工后的平均粗糙度Ra為4nm。另外，通過與例1相同的方法評價c面取向度和 板表面的平均粒徑時，c面取向度為94%，平均粒徑為41μπι。
[0327] (2)摻雜Ge的氮化鎵自立基板的制作
[0328] 與例1的（3a)同樣地在取向氧化鋁基板上層疊厚度3μπι的GaN膜，制作晶種基板。使 保持時間為30小時，除此之外，與例1的（3b)同樣地在該晶種基板上形成摻雜Ge的GaN膜。得 到的試樣在50.8mm(2英寸）的晶種基板的整面上生長摻雜Ge的氮化鎵結(jié)晶，結(jié)晶的厚度大 約為0.3mm。沒有確認到裂紋。
[0329] 通過使用磨石的磨削加工除去這樣得到的試樣的取向氧化鋁基板部，得到摻雜Ge 的氮化鎵的單體。接下來，使用#600和#2000的磨石，將摻雜Ge的氮化鎵結(jié)晶的背面(與取向 氧化鋁基板相接一側(cè)的表面)切削掉大約80μπι。然后，將板表面(表面)磨削至氮化鎵結(jié)晶的 厚度為大約60μπι，并平坦化后，通過使用金剛石研磨粒子進行研磨加工，得到表面、背面實 施了平滑化的厚度大約60μπι的氮化鎵自立基板。氮化鎵自立基板的表面和背面在加工后的 平均粗糙度Ra為0 · 2nm。
[0330] 接下來，使用與例4~例8相同的方法，實施氮化鎵結(jié)晶的截面的取向成像（反極 圖）時，氮化鎵結(jié)晶在表面?zhèn)?取向氧化鋁基板的相反側(cè)）的粒徑大于取向氧化鋁基板側(cè)的 粒徑，氮化鎵結(jié)晶的形狀的截面圖像為梯形、三角形等，并非完全的柱狀。另外，可知存在隨 著厚膜化而粒徑增大、生長至表面的粒子和沒有生長至表面的粒子。這樣的行為原因尚未 闡明，但認為可能是如圖5所示，生長以生長快的粒子覆蓋生長慢的粒子的方式進行的結(jié) 果。因此，在構(gòu)成氮化鎵結(jié)晶的氮化鎵粒子中，在表面?zhèn)嚷冻龅牧Ｗ記]有夾隔晶界地連通到 背面，但也包括在背面?zhèn)嚷冻龅牧Ｗ又械囊徊糠衷谥型就Ｖ股L的情況。
[0331] 通過與例1的（3)相同的方法測定體積電阻率時，體積電阻率為1Χ10-2Ω · cm。另 外，使用與例1的（3)相同的方法測定在氮化鎵自立基板的表面和背面的GaN單晶粒子的截 面平均直徑，結(jié)果，表面的截面平均直徑為大約81μπι，背面的截面平均直徑為大約61μπι。由 此，表面的截面平均直徑大于背面的截面平均直徑，基板表面的截面平均直徑D T與基板背 面的截面平均直徑Db之比Dt/Db大約為1.3。另外，按GaN結(jié)晶的厚度與表面的截面平均直徑 之比算出的GaN單晶粒子的縱橫尺寸比大約為0.7。
[0332] (3)使用摻雜Ge的氮化鎵自立基板制作發(fā)光元件
[0333] 與例1的（4a)同樣地在氮化鎵自立基板上制作發(fā)光功能層，測定單晶粒子在最外 表面的截面平均直徑時，截面平均直徑為大約81μπι。另外，與例1的（4b)同樣地制作縱型的 發(fā)光元件，結(jié)果，通過陰極電極和陽極電極間的I 一 V測定確認有整流性，通過正向通電確認 發(fā)出波長450nm的光。然而，雖然發(fā)光亮度一定程度提高，但比例8弱。
[0334] ^10
[0335] (l)c面取向氧化鋁燒結(jié)體的制作
[0336] 作為原料，準(zhǔn)備板狀氧化鋁粉末(KINSEI MATEC株式會社制、等級10030)、微細氧 化鋁粉末(大明化學(xué)工業(yè)株式會社制、等級TM-DAR)、和氧化鎂粉末(宇部MATERIALS株式會 社、等級500A)，混合板狀氧化鋁粉末5重量份、微細氧化鋁粉末95重量份、氧化鎂粉末0.025 重量份，得到氧化鋁原料。接下來，相對于氧化鋁原料100重量份，混合粘合劑(聚乙烯醇縮 丁醛:型號BM-2、積水化學(xué)工業(yè)株式會社制)8重量份、增塑劑(D0P:鄰苯二甲酸二(2-乙基 己基)酯、黑金化成株式會社制)4重量份、分散劑(RHE0D0L SP - 030、花王株式會社制）2重 量份、分散介質(zhì)（二甲苯和1 一丁醇按重量比1:1混合而得）。分散介質(zhì)的量調(diào)整成漿料粘度 達到20000cP。將如上所述地制備的漿料用刮刀法在PET膜上成型為片材狀，干燥后的厚度 達到100μπι。將得到的帶切斷成口徑50.8mm(2英寸）的圓形后，層疊30張，載置在厚度10mm的 A1板上，然后，進行真空包裝。將該真空包裝在85°C的溫水中、以100kgf/cm2的壓力進行靜 水壓加壓，得到圓盤狀的成型體。
[0337] 將得到的成型體配置在脫脂爐中，在600°C、10小時的條件下進行脫脂。使用石墨 制的模具，通過熱壓，在氮氣中、1800°C下4小時、表面壓力為200kgf/cm 2的條件下，對得到 的脫脂體進行燒成。
[0338]將由此得到的燒結(jié)體固定在陶瓷平臺上，使用磨石，磨削至#2000,使板表面平坦。 接下來，通過使用金剛石研磨粒子的研磨加工，將板表面平滑化，作為取向氧化鋁基板得到 口徑50.8mm( 2英寸）、厚度1mm的取向氧化錯燒結(jié)體。將研磨粒子的尺寸從3μηι逐步減小至 〇.5μπι，提高平坦性。加工后的平均粗糙度Ra為4nm。另外，通過與例1相同的方法評價c面取 向度和板表面的平均粒徑時，c面取向度為99%，平均粒徑為大約24μπι。
[0339] (2)摻雜Ge的氮化鎵自立基板的制作
[0340]與例1的（3a)同樣地在取向氧化鋁基板上層疊厚度3μπι的GaN膜，制作晶種基板。使 保持時間為30小時，除此之外，與例1的（3b)同樣地在該晶種基板上形成摻雜Ge的GaN膜。得 到的試樣在50.8mm(2英寸）的晶種基板的整面上生長摻雜Ge的氮化鎵結(jié)晶，結(jié)晶的厚度大 約為0.3mm。沒有確認到裂紋。
[0341] 通過使用磨石的磨削加工除去這樣得到的試樣的取向氧化鋁基板部，得到摻雜Ge 的氮化鎵的單體。接下來，使用#600和#2000的磨石，將摻雜Ge的氮化鎵結(jié)晶的背面(與取向 氧化鋁基板相接一側(cè)的表面)切削掉大約90μπι。然后，將板表面(表面)磨削至氮化鎵結(jié)晶的 厚度為大約40μπι，并平坦化后，通過使用金剛石研磨粒子進行研磨加工，對表面、背面實施 平滑化，得到厚度大約40μπι的氮化鎵自立基板。氮化鎵自立基板的表面和背面在加工后的 平均粗糙度Ra為0 · 2nm。
[0342] 接下來，使用與例4~例9相同的方法，實施氮化鎵結(jié)晶的截面的取向成像（反極 圖）時，氮化鎵結(jié)晶在表面?zhèn)?取向氧化鋁基板的相反側(cè)）的粒徑大于取向氧化鋁基板側(cè)的 粒徑，氮化鎵結(jié)晶的形狀的截面圖像為梯形、三角形等，并非完全的柱狀。另外，可知存在隨 著厚膜化而粒徑增大、生長至表面的粒子和沒有生長至表面的粒子。這樣的行為原因尚未 闡明，但認為可能是如圖5所示，生長以生長快的粒子覆蓋生長慢的粒子的方式進行的結(jié) 果。因此，在構(gòu)成氮化鎵結(jié)晶的氮化鎵粒子中，在表面?zhèn)嚷冻龅牧Ｗ記]有夾隔晶界地連通到 背面，但也包括在背面?zhèn)嚷冻龅牧Ｗ又械囊徊糠衷谥型就Ｖ股L的情況。
[0343] 通過與例1的（3)相同的方法測定體積電阻率時，體積電阻率為1Χ10-2Ω · cm。另 外，使用與例1的（3)相同的方法測定在氮化鎵自立基板的表面和背面的GaN單晶粒子的截 面平均直徑，結(jié)果，表面的截面平均直徑為大約75μπι，背面的截面平均直徑為大約60μπι。由 此，表面的截面平均直徑大于背面的截面平均直徑，基板表面的截面平均直徑D T與基板背 面的截面平均直徑Db之比Dt/Db大約為1.3。另外，按GaN結(jié)晶的厚度與表面的截面平均直徑 之比算出的GaN單晶粒子的縱橫尺寸比大約為0.5。
[0344] (3)使用摻雜Ge的氮化鎵自立基板制作發(fā)光元件
[0345] 與例1的（4a)同樣地在氮化鎵自立基板上制作發(fā)光功能層，測定單晶粒子在最外 表面的截面平均直徑時，截面平均直徑為大約75μπι。另外，與例1的（4b)同樣地制作縱型的 發(fā)光元件，結(jié)果，通過陰極電極和陽極電極間的I 一 V測定確認有整流性，通過正向通電確認 發(fā)出波長450nm的光。然而，可知雖然發(fā)光亮度一定程度提高，但比例8及例9弱。
[0346] j^ljll
[0347] 為了更明確地確認氮化鎵系單晶粒子的截面平均直徑為20μπι以上能夠使發(fā)光效 率顯著提高這一點，進行驗證實驗。該驗證實驗中，制作氮化鎵系單晶粒子的截面平均直徑 DT為2、3、13、16、20、35、42、50、72、90和11(^111的各種氮化鎵自立基板，使用該氮化鎵自立基 板制作發(fā)光元件，使用株式會社Teknologue制LED TESTER LX4681A，測定200A/cm2(芯片尺 寸：1mm見方、正向電流:2A)下的發(fā)光亮度。其結(jié)果如表2所示。由表2所示的發(fā)光亮度的結(jié) 果，清楚地確認了在使用截面平均直徑Dt為3~16μπι的氮化鎵自立基板的情況下發(fā)光亮度 為0.40~0.42 (a. u.)，而使用截面平均直徑DT為20μπι以上的氮化鎵自立基板時，發(fā)光亮度 顯著增加，達到0.91以上(a.u.)。上述結(jié)果顯示以截面平均直徑達到20μπι為界，發(fā)光效率顯 著提高。
[0348] 【表2】
[0349] 表 2
[0350]
[0351] 本發(fā)明包含以下方式。
[0352] [項1]
[0353] -種氮化鎵自立基板，由在大致法線方向具有單晶結(jié)構(gòu)的板形成，所述板由多個 氮化鎵系單晶粒子構(gòu)成。
[0354] [項2]
[0355] 根據(jù)項1所述的氮化鎵自立基板，其中，上述氮化鎵系單晶粒子在上述基板最外表 面的截面平均直徑為0 · 3μπι以上。
[0356] [項3]
[0357] 根據(jù)項2所述的氮化鎵自立基板，其中，上述截面平均直徑為3μπι以上。
[0358] [項 4]
[0359] 根據(jù)項2所述的氮化鎵自立基板，其中，上述截面平均直徑為20μπι以上。
[0360] [項5]
[0361] 根據(jù)項1~4中的任一項所述的氮化鎵自立基板，其中，上述氮化鎵自立基板的厚 度為20μηι以上。
[0362] [項 6]
[0363] 根據(jù)項1~5中的任一項所述的氮化鎵自立基板，其中，上述氮化鎵自立基板的尺 寸為直徑100mm以上。
[0364] [項7]
[0365] 根據(jù)項1~6中的任一項所述的氮化鎵自立基板，其中，上述氮化鎵系單晶粒子的 晶體取向基本對齊大致法線方向。
[0366] [項8]
[0367] 根據(jù)項1~7中的任一項所述的氮化鎵自立基板，其中，上述氮化鎵系單晶粒子摻 雜有η型摻雜物或p型摻雜物。
[0368] [項9]
[0369] 根據(jù)項1~7中的任一項所述的氮化鎵自立基板，其中，上述氮化鎵系單晶粒子不 含摻雜物。
[0370] [項 10]
[0371] 根據(jù)項1~9中的任一項所述的氮化鎵自立基板，其中，上述氮化鎵系單晶粒子被 混晶化。
[0372] [項 11]
[0373] 根據(jù)項1~10中的任一項所述的氮化鎵自立基板，其中，在上述氮化鎵自立基板的 表面露出的上述氮化鎵系單晶粒子不夾隔晶界地連通到該氮化鎵自立基板的背面。
[0374] [項I2]
[0375] 根據(jù)項1~11中的任一項所述的氮化鎵自立基板，其中，在氮化鎵自立基板的表面 露出的氮化鎵系單晶粒子在最外表面的截面平均直徑Dt與在氮化鎵自立基板的背面露出 的氮化鎵系單晶粒子在最外表面的截面平均直徑Db之比Dt/Db大于1.0。
[0376] [項13]
[0377] 根據(jù)項1~12中的任一項所述的氮化鎵自立基板，其中，縱橫尺寸比T/Dt為0.7以 上，上述縱橫尺寸比T/Dt被規(guī)定為上述氮化鎵自立基板的厚度T與在上述氮化鎵自立基板 的表面露出的上述氮化鎵系單晶粒子在最外表面的截面平均直徑D T的比值。
[0378] [項 14]
[0379] 一種發(fā)光元件，包括：
[0380]項1~13中的任一項所述的氮化鎵自立基板，
[0381] 發(fā)光功能層，所述發(fā)光功能層形成在該基板上，并且具有一層以上在大致法線方 向具有單晶結(jié)構(gòu)的、由多個半導(dǎo)體單晶粒子構(gòu)成的層。
[0382] [項 15]
[0383] 根據(jù)項14所述的自立的發(fā)光元件，其中，上述半導(dǎo)體單晶粒子在上述發(fā)光功能層 最外表面的截面平均直徑為0.3μπι以上。
[0384] [項 16]
[0385] 根據(jù)項15所述的發(fā)光元件，其中，上述截面平均直徑為3μπι以上。
[0386] [項 17]
[0387] 根據(jù)項14~16中的任一項所述的發(fā)光元件，其中，上述半導(dǎo)體單晶粒子具有與上 述氮化鎵自立基板的晶體取向基本一致地生長而成的結(jié)構(gòu)。
[0388] [項 I8]
[0389] 根據(jù)項14~17中的任一項所述的發(fā)光元件，其中，上述發(fā)光功能層由氮化鎵系材 料構(gòu)成。
[0390] [項 19]
[0391 ] -種氮化鎵自立基板的制造方法，包括如下工序：
[0392] 準(zhǔn)備取向多晶燒結(jié)體，
[0393] 在上述取向多晶燒結(jié)體上形成包含氮化鎵的晶種層，所述晶種層的晶體取向與上 述取向多晶燒結(jié)體的晶體取向基本一致，
[0394] 在上述晶種層上，形成厚度20μπι以上的由氮化鎵系結(jié)晶構(gòu)成的層，所述由氮化鎵 系結(jié)晶構(gòu)成的層的晶體取向與上述晶種層的晶體取向基本一致，
[0395] 除去上述取向多晶燒結(jié)體，得到氮化鎵自立基板。
[0396] [項 20]
[0397] 根據(jù)項19所述的方法，其中，上述取向多晶燒結(jié)體是取向多晶氧化鋁燒結(jié)體。
[0398] [項 21]
[0399] 根據(jù)項19或20所述的方法，其中，構(gòu)成上述取向多晶燒結(jié)體的粒子在板表面的平 均粒徑為0.3~ΙΟΟΟμπι。
[0400] [項 22]
[0401] 根據(jù)項19~21中的任一項所述的方法，其中，由上述氮化鎵系結(jié)晶構(gòu)成的層通過 Na助熔劑法形成。
[0402] [項 23]
[0403] 根據(jù)項19~22中的任一項所述的方法，其中，上述取向多晶燒結(jié)體具有透光性。
[0404] [項 24]
[0405] -種發(fā)光元件的制造方法，包括如下工序：
[0406]準(zhǔn)備項1~13中的任一項所述的氮化鎵自立基板，或根據(jù)項19~23中的任一項所 述的方法準(zhǔn)備上述氮化鎵自立基板，
[0407] 在上述氮化鎵自立基板上，形成一層以上在大致法線方向具有單晶結(jié)構(gòu)的、由多 個半導(dǎo)體單晶粒子構(gòu)成的層來設(shè)置發(fā)光功能層，所述由多個半導(dǎo)體單晶粒子構(gòu)成的層的晶 體取向與上述氮化鎵基板的晶體取向基本一致。
[0408] [項 25]
[0409] 根據(jù)項24所述的方法，其中，上述發(fā)光功能層由氮化鎵系材料構(gòu)成。
【主權(quán)項】
1. 一種氮化鎵自立基板，由在大致法線方向具有單晶結(jié)構(gòu)的板形成，所述板由多個氮 化鎵系單晶粒子構(gòu)成。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化鎵自立基板，其中，所述氮化鎵系單晶粒子在所述基板最 外表面的截面平均直徑為0.3μπι以上。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的氮化鎵自立基板，其中，所述截面平均直徑為3μπι以上。4. 根據(jù)權(quán)利要求1~3中的任一項所述的氮化鎵自立基板，其中，所述氮化鎵自立基板 的厚度為20μηι以上。5. 根據(jù)權(quán)利要求1~4中的任一項所述的氮化鎵自立基板，其中，所述氮化鎵自立基板 的尺寸為直徑100mm以上。6. 根據(jù)權(quán)利要求1~5中的任一項所述的氮化鎵自立基板，其中，所述氮化鎵系單晶粒 子的晶體取向基本對齊大致法線方向。7. 根據(jù)權(quán)利要求1~6中的任一項所述的氮化鎵自立基板，其中，所述氮化鎵系單晶粒 子摻雜有η型摻雜物或p型摻雜物。8. 根據(jù)權(quán)利要求1~6中的任一項所述的氮化鎵自立基板，其中，所述氮化鎵系單晶粒 子不含摻雜物。9. 根據(jù)權(quán)利要求1~8中的任一項所述的氮化鎵自立基板，其中，所述氮化鎵系單晶粒 子被混晶化。10. 根據(jù)權(quán)利要求1~9中的任一項所述的氮化鎵自立基板，其中，縱橫尺寸比T/Dt為0.7 以上，所述縱橫尺寸比T/Dt被規(guī)定為所述氮化鎵自立基板的厚度T與在所述氮化鎵自立基 板的表面露出的所述氮化鎵系單晶粒子在最外表面的截面平均直徑D T的比值。11. 一種發(fā)光元件，包括： 氮化鎵自立基板，是權(quán)利要求1~10中的任一項所述的氮化鎵自立基板，和， 發(fā)光功能層，所述發(fā)光功能層形成在該基板上，并且具有一層以上在大致法線方向具 有單晶結(jié)構(gòu)的、由多個半導(dǎo)體單晶粒子構(gòu)成的層。12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的自立的發(fā)光元件，其中，所述半導(dǎo)體單晶粒子在所述發(fā)光功 能層最外表面的截面平均直徑為0.3μπι以上。13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的發(fā)光元件，其中，所述截面平均直徑為3μπι以上。14. 根據(jù)權(quán)利要求11~13中的任一項所述的發(fā)光元件，其中，所述半導(dǎo)體單晶粒子具有 與所述氮化鎵自立基板的晶體取向基本一致地生長而成的結(jié)構(gòu)。15. 根據(jù)權(quán)利要求11~14中的任一項所述的發(fā)光元件，其中，所述發(fā)光功能層由氮化鎵 系材料構(gòu)成。16. -種氮化鎵自立基板的制造方法，包括如下工序： 準(zhǔn)備取向多晶燒結(jié)體， 在所述取向多晶燒結(jié)體上形成包含氮化鎵的晶種層，所述晶種層的晶體取向與所述取 向多晶燒結(jié)體的晶體取向基本一致， 在所述晶種層上，形成厚度20μπι以上的由氮化鎵系結(jié)晶構(gòu)成的層，所述由氮化鎵系結(jié) 晶構(gòu)成的層的晶體取向與所述晶種層的晶體取向基本一致， 除去所述取向多晶燒結(jié)體，得到氮化鎵自立基板。17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的氮化鎵自立基板的制造方法，其中，所述取向多晶燒結(jié)體是 取向多晶氧化鋁燒結(jié)體。18. 根據(jù)權(quán)利要求16或17所述的氮化鎵自立基板的制造方法，其中，構(gòu)成所述取向多晶 燒結(jié)體的粒子在板表面的平均粒徑為〇. 3~ΙΟΟΟμπι。19. 根據(jù)權(quán)利要求16~18中的任一項所述的氮化鎵自立基板的制造方法，其中，所述由 氮化鎵系結(jié)晶構(gòu)成的層通過Na助熔劑法形成。20. 根據(jù)權(quán)利要求16~19中的任一項所述的氮化鎵自立基板的制造方法，其中，所述取 向多晶燒結(jié)體具有透光性。21. -種發(fā)光元件的制造方法，包括如下工序： 準(zhǔn)備權(quán)利要求1~10中的任一項所述的氮化鎵自立基板，或根據(jù)權(quán)利要求16~20中的 任一項所述的方法準(zhǔn)備所述氮化鎵自立基板， 在所述氮化鎵自立基板上，形成一層以上在大致法線方向具有單晶結(jié)構(gòu)的、由多個半 導(dǎo)體單晶粒子構(gòu)成的層來設(shè)置發(fā)光功能層，所述由多個半導(dǎo)體單晶粒子構(gòu)成的層的晶體取 向與所述氮化鎵基板的晶體取向基本一致。22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的發(fā)光元件的制造方法，其中，所述發(fā)光功能層由氮化鎵系材 料構(gòu)成。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種氮化鎵自立基板，由在大致法線方向具有單晶結(jié)構(gòu)的板形成，所述板由多個氮化鎵系單晶粒子構(gòu)成。該氮化鎵自立基板可以通過包含如下工序的方法制造：準(zhǔn)備取向多晶燒結(jié)體，在取向多晶燒結(jié)體上形成包含氮化鎵的晶種層，形成的晶種層的晶體取向與取向多晶燒結(jié)體的晶體取向基本一致，在晶種層上，形成厚度20μm以上的由氮化鎵系結(jié)晶構(gòu)成的層，形成的由氮化鎵系結(jié)晶構(gòu)成的層的晶體取向與晶種層的晶體取向基本一致，除去取向多晶燒結(jié)體，得到氮化鎵自立基板。根據(jù)本發(fā)明，能夠提供廉價且適合大面積化、作為氮化鎵單晶基板的替代材料有用的氮化鎵自立基板。
【IPC分類】C30B29/38, H01L33/02
【公開號】CN105658849
【申請?zhí)枴?br>【發(fā)明人】渡邊守道, 吉川潤, 七瀧努, 今井克宏, 杉山智彥, 吉野隆史, 武內(nèi)幸久, 佐藤圭
【申請人】日本礙子株式會社
【公開日】2016年6月8日
【申請日】2015年6月25日